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玻纤复合材料新应用——光伏边框

创作时间:

作者:

@小白创作中心

玻纤复合材料新应用——光伏边框

引用

来源

https://www.cmpe360.com/p/232491

光伏边框是光伏组件的重要辅材之一，传统上主要采用铝型材。近年来，随着技术进步和市场需求变化，玻纤复合材料在光伏边框领域的应用逐渐受到关注。本文将从成本、应用场景、市场推广等多个维度，分析玻纤复合材料替代传统铝型材的可能性和前景。

替代的契机是什么？

成本优势

光伏边框在组件成本占比达9%，是组件中成本占比最高的辅材。目前主流铝边框定价模式为公开市场铝锭价格+边框加工费。其中，加工费相对稳定，铝边框价格主要受铝锭价格影响。

相较铝合金涨幅，玻纤性价比凸显，本轮周期价格波动幅度更小，玻纤本轮周期（2020年后）价格已经创新低。

2020-2022年全国缠绕直接纱2400tex价格高点出现在2021年10月，为6233元/吨，较低点（2020年7月）上涨2244元/吨，涨幅56.3%；全国铝锭A00价格（2021年10月）为22848元/吨，较低点（2020年3月）上涨11450元/吨，涨幅100.5%。
截至2023年4月30日，全国缠绕直接纱2400tex价格3950元/吨，较低点（2020年7月）下降39元/吨，降幅1.0%。全国铝锭A00价格为18758元/吨，较低点（2020年3月）上涨7360元/吨，涨幅64.6%。

图2：当前铝锭价格较2020年底部上涨64.6%

图3：当前玻纤价格较2020年底部下降0.7%

我们根据当前铝价，测算单套组件铝边框成本为73.53元(2023年4月30日)。根据永臻股份招股说明书数据，以P型单晶182mm（M10）电池组件为例，装机容配比1.2、单套组件功率550W。

对应每套组件配套边框2.85kg。
铝锭现价为18.8元/kg，铝边框成品加工费在7元/kg。
对应单套铝边框成本73.53元，单W组件铝边框成本0.1337元。

表2：光伏铝边框成本测算

我们根据当前玻纤、聚氨酯价格，测算单套组件复合材料边框成本为52.05元。

铝边框比重为2.7g/cm3、复合材料边框比重为2.1g/cm3（数据来源：沃莱新材官网），密度较低情况下，我们保守假设复合材料边框重量为2.5kg，减重12.3%。
参考重庆亿煊，其复合材料边框原材料中，玻纤含量达80%、聚氨酯为20%，即对应单套复合材料边框玻纤用量2kg、聚氨酯用量0.5kg。
玻纤现价为4元/kg，聚氨酯DMI现价为19.35元/kg，对应单套复合材料边框玻纤成本8元、聚氨酯成本9.68元。
为增加复合材料边框耐候性及耐腐蚀性，需对切割后的材料件进行氟碳涂料喷涂。当前72版组件尺寸为2278mm*1134mm，周长为6.82m，单米氟碳涂料喷涂成本我们假设为2元，对应单套喷涂成本为13.65元。
加工费方面，铝边框成品加工费在7元/kg，考虑到当前复合材料边框技术成熟度、成品率仍较铝边框有一定差距，我们保守假设，复合材料边框成品加工费需提高20%、即8.4元/kg，对应单套加工费为21元。
综合考虑玻纤+聚氨酯+喷涂+加工费成本，单套复合材料边框成本52.32元，单W组件复合材料边框成本0.0951元。

表3：光伏复合材料边框成本测算

因此，静态价格前提下，测算玻纤复合材可降本约29%。考虑到复合材料边框中，玻纤、聚氨酯、喷涂等成本占比较为平均，我们预计铝价波动是替代性价比的关键因素。

动态测算下，铝锭价格回落到11-12元/kg，成本才有望打平复合材料。参考当前电解铝及玻纤行业库存，我们预计以上发生可能性偏低。

图4：我国电解铝行业库存

图5：玻纤行业库存

海上光伏是匹配的应用场景

不止是成本优势，无电偶腐蚀在海上光伏场景优势突出。光伏组件向面板更大、双玻双面发电、免电势差诱发衰减、BIPV等新方向发展，光伏边框的比强度要求和绝缘性要求日益提高。

尤其在海上光伏电站，要求光伏组件材料具备很强的耐盐雾腐蚀特性，而铝是活泼金属，抵抗盐雾腐蚀能力较弱，传统铝边框方案很难保证25年使用寿命；而复合材料无电偶腐蚀性，在海上光伏电站中是重要的技术解决方案之一。

以铝合金边框为例，近海组件边框受盐雾侵蚀，单层镀膜玻璃和接线盒都存在水汽现象，需要加强保护；组件边缘密封胶封闭不好，水汽对内部进行侵蚀，无框双玻边缘层压不当、存在分层，更易受到水汽侵蚀，传统铝边框方案很难保证25年的使用寿命。

水面开阔没有遮挡物，日照较长且利用充分，较陆地光伏可提升发电量5-10%。

近2年，国内沿海省份如山东、江苏、浙江、辽宁、广东等积极规划海上光伏项目，例如2022年7月山东出台《海上光伏建设工程行动》，打造“环渤海、沿黄海”双千万千瓦级海上光伏基地，“环渤海”基地布局海上光伏场址31个、总装机规模1930万千瓦，“沿黄海”基地布局海上光伏场址26个、总装机规模2270万千瓦。

截至2022年5月，我国确权海上光伏项目共28个、累计确权面积约1600公顷，少数项目已实现部分容量并网发电。

博菲电气光伏复合材料边框已具备海上应用的相关研发和应用经验。

图6：海上光伏图示

降碳的契机

电解铝是典型的高耗能产业，而玻纤可显著降低碳排放：

根据IAI数据，2019年单吨电解铝碳排放约16.5吨，其中电力环节、热能以及生产过程中直接排放分别达10.7、2.1、1.5吨；
根据中国巨石官网数据，目前每吨玻纤产品全国平均碳排放为1.5吨、中国巨石不到1吨。整体而言，玻纤的碳排放仅为电解铝的9.1%。
但需考虑铝材易回收、熔融温度低，废料容易再生，回收率极高，再生铝碳排放只有原铝的5%，节能减排效果显著。2021年再生铝占原铝产量比重为21.7%；而复合材料目前回收成熟度不高，不能给组件业主带来一定的回收利用价值。

图6：海上光伏图示

市场需要等多久？

2023年4月12日，振石集团华智研究院获得德国莱茵TÜV集团颁发的全球首张光伏组件用复合材料边框证书，本次认证产品通过莱茵公司2PfG2923标准认证。本次测试环节的重点是耐老化测试、阻燃性能、力学性能等，振石集团产品均表现优异。

除振石外，德意隆、沃莱新材、福膜科技等复合材料边框厂商均已通过行业权威的TÜV莱茵认证。

德国莱茵TÜV集团是全球TOP5认证机构之一、最早进入中国的国际认证机构，拥有近150年经验，检测业务覆盖面广，其中在光伏领域具备广泛影响力。

市场推广角度，一般光伏辅材如果要应用到光伏组件上，①首先需要材料通过第三方材料认证，②组件厂商将该材料应用到自己的组件上，再去组件第三方机构做认证，③通过认证后，组件厂商自身测试无太大问题，则可逐渐起量。

当前多家复合材料边框厂商如振石、德意隆、沃莱新材、福膜科技已通过第三方材料认证，因此后续重点关注下游组件厂认证、测评环节，下游组件厂推进速度较快的包括晶科（2022年8月晶科能与德毅隆、科思创投资组成的参编单位，就关于《晶体硅光伏组件用玻纤增强复合材料边框的技术标准》立项展开讨论）、隆基（2022年12月与万华达成战略合作，其中包括聚氨酯复合材料边框合作）、阿特斯（2013年与德毅隆共同合作对玻纤聚氨酯复合材料多项性能全面测试，2014-2015年复合材料边框组件应用于上海和浙江2个分布式屋顶光伏项目）、亿晶光电（2023年2月德国VDE检测研究所为亿晶光电颁发了首张使用复合材料光伏边框的组件产品认证证书，该产品复材边框由德毅隆制造）。

下游组件厂认证、测评环节预计最快或有望在23Q3有积极变化，行业起量或在2024-2025年。

但是传统光伏铝边框不会“坐以待替”，参考用于海洋环境（如船舶）中的铝合金材料，由于长期受海水浸泡、流水冲击、干湿交替作用，涂覆于铝合金的防腐底漆具有①具有良好的耐海水性，②对基材具有强附着力，③与防污涂料间具有良好的层间附着力。常用的有环氧胺类底漆、环氧聚酞胺类底漆、氯化橡胶类防锈底漆。

存在哪些争议？

目前复合材料边框快速渗透仍存在以下争议：

海上光伏风力大，对材料、磨具精度要求更高，要求材料耐冲击能力高。复合树脂边框对精度要求较高，当精度存在偏差时，受到很重外力情况下，存在边框挤压变形的可能性。
复合材料拉挤速度慢于铝型材，复合材料拉挤成型技术为自动化或半自动化流水线生产，速度达10m/min，而塑性好的铝合金型材挤压速度更快，可达100m/min。
玻纤含量较低时，无法在复合材料中形成较好的应力传递网络，使得玻纤在复合材料受到冲击载荷下以缺陷的形式存在，导致复合材料整体冲击强度降低。随着玻纤含量增加，复合材料冲击强度将会提升。（数据来源：《长/短玻纤增强PPS复合材料的性能对比》）
光伏边框可能引雷，主因系光伏电站中金属边框串起来、较容易感应到雷电，铝边框具有良好的导电性能，可在雷雨天气用作避雷。而复合材料边框在避雷方面或仍需检验。

图9：纤维含量越高，复合材料拉伸强度越大

图10：纤维含量越高，复合材料弯曲强度越大

考虑到海上光伏发展催生复合材料边框的应用场景，陆地光伏渗透率可能偏慢，假设陆地推广效果一般，只有海上光伏大范围使用。

目前山东省公布明确的海上光伏建设项目，桩基固定式海上光伏项目2025年累计建成并网11GW（22年累积建成并网1.5GW）、漂浮式海上光伏建成并网1GW，即2023-2025年累积建成海上光伏项目10.5GW，根据表3测算，1GW光伏组件约对应3636吨玻纤需求，预计2023-2025年，仅山东海上光伏项目累计拉动玻纤3.82万吨。

玻纤和下游复材企业，进入难度大吗？

玻纤增强聚氨酯，即GRPU，以无纺玻璃纤维纱为增强材料，聚氨酯树脂为基体树脂，通过注射浸胶拉挤工艺生成。

传统树脂拉挤型材时，需使用多达4-5种不同的玻璃纤维毡，且毡需裁切造形。

聚氨酯拉挤可用玻纤无碱粗纱来代替玻纤毡，减少原料成本、操作劳力成本，提高生产线速度。

图11：玻纤增强聚氨酯生产工艺流程

玻纤增强聚氨酯材料行业里已应用多年，技术相对成熟：

GRPU门窗型材，具有①高隔热性，室温下导热系数仅为0.22W/m•K，为铝合金的1/700；②低热膨胀，线性热膨胀系数约为7×10-6/K，远低于铝合金，温度变化时不会与墙体产生缝隙、密封性良好，保证整窗在温差较大环境下的隔热性；③耐腐蚀性能优于其他材质门窗型材，尤其适用于沿海、有腐蚀性及一般潮湿场所；④电性能佳，不受电磁波作用、不反射无线电波，在通讯系统建筑上有特殊用途。
GRPU集装箱地板，相较传统木质材料，①重量减轻22%，降低整船、整车集装箱油耗和运输成本；②保持足够韧性，降低维护成本；③增加集装箱使用寿命，传统集装箱木地板使用寿命只有5-10年，GRPU集装箱地板可超过20年。
GRPU其他用途包括铁路枕木、梯子杆、工具柄等。

我们预计后续光伏复材边框所用的玻纤主要为普通无碱粗纱，判断依据是①聚氨酯拉挤用玻纤无碱粗纱，无需用到高价高模量产品，②降本提效是光伏行业的重要趋势，玻纤替代铝核心逻辑便在于降本。

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